книги из ГПНТБ / Бабаев С.Г. Надежность и долговечность бурового оборудования

Дания глинистого раствора создаются условия для интенсив­ ной коррозии деталей опор.

Отколы колец, как правило, наблюдались со стороны наруж­ ного диаметра колец и были достаточно больших размеров. Ха­ рактер расположения и размеры отколов, а также поломки колец указывают на то, что причиной отколов и поломок явля­ ются динамические нагрузки и удары, возникающие при спускоподъемных операциях. Кроме того, исследования показали от­ четливо выраженную связь дефектов этого вида с неудовлетво­ рительной микроструктурой металла и действием внутренних напряжений.

Отслаивание металла колец (рис. 3, в) вызвано усталостью ^металла и усугубляется дополнительным влиянием внутренних напряжений [39, 74].

Наряду с рассмотренными видами изнашивания колец опор нередки случаи значительного смятия и износа беговых дорожек колец, что также является следствием неудовлетворительной микроструктуры и заниженной твердости.

Усталостное изнашивание шаров наблюдается в значитель­ но меньшей степени по сравнению с изнашиванием колец основ­ ной опоры. Это объясняется тем, что при контакте шара с пло­ ской поверхностью более благоприятны условия напряженного состояния в материале шара. Во вдавливаемом шаре в области, •ограниченной кругом давления, радиус кривизны увеличивается, поверхность уменьшается (сжимается), что приводит к более равномерному всестороннему сжатию и однородному напряжен­ ному состоянию как на поверхности, так и в объеме [36].

В табл. 5 указаны виды изнашивания и разрушений колец вспомогательных опор.

Таблица 5

Состояние изношенных поверхностей колец вспомогательной ■опоры отличается от состояния колец основной опоры. В боль­ шинстве случаев на изношенных кольцах наблюдается устало­ стное изнашивание в начальной стадии. Прогрессирующее усталостное выкрашивание на беговых дорожках имеется в -единичных случаях.

Из табл. 5 видно, что основной вид разрушения колец вспо­ могательной опоры — коррозия. Коррозия колец вспомогатель-

30

пых опор, как и коррозия колец основных опор, обусловлена' попаданием глинистого раствора н воды в масляные ванны.

На шарах вспомогательных опор усталостного изнашивания не наблюдалось. Основной причиной разрушения шаров вслед­ ствие воздействия глинистого раствора является коррозия.

Число повреждений (в процентах от общего числа видов из­

Как видно из табл. 6, основными причинами выхода из строя зубьев шестерни и венца роторов являются односторонний износ,, наволакивание металла по торцам и усталостное изнашивание.

Усталостный вид изнашивания прямозубых шестерни и венца роторов Р560-Ш8 был отмечен соответственно в 38 и 34% слу­ чаях, а для косозубой передачи роторов У7-520-3 — в 22 и 21 %- случаев. При этом па зубьях шестерни и венца косозубой пере­ дачи наблюдались только единичные начальные выкрашивания,, а на зубьях прямозубой передачи — усталостное прогрессирую­ щее изнашивание.

Основной причиной одностороннего износа зубьев (рис. 4) является неточность сборки. Расчеты размерных цепей, опреде­ ляющие точность сопряжения конической зубчатой пары ротора Р560-Ш8 [42], показали, что после рассеяния замыкающих звень­ ев всех размерных цепей значительно превышает поле допуска.

Начальное выкрашивание, вызванное неправильной сборкой,, неизбежно перерастает в прогрессирующее. Зубчатая пара, в ко­ торой началось прогрессирующее разрушение зубьев, еще спо­ собна передавать нагрузки. Но искажение профиля зубьев в за­ цеплении приводит, особенно у прямозубой передачи, к большим добавочным динамическим нагрузкам, увеличивающим интен­ сивность разрушения [74].

Подшипники приводного вала при правильной сборке доста­ точно работоспособны. Однако имеются случаи выхода из строяподшипника, устанавливаемого со стороны звездочки. Основным видом изнашивания этих подшипников является окислительное-

3L

изнашивание при условии, что в смазке не будет абразивных частиц (глинистого раствора).

Наряду с обследованием роторов при капитальном ремонте исследования проводились также непосредственно в условиях эксплуатации. Для определения работоспособности роторов Р560-Ш8 и У7-520-3 в зависимости от глубины бурения (нагруз-

Рис. 4. Односторонний износ зубьев шестерни ро­ тора Р560-Ш8.

ки на ротор) были подобраны буровые с различными глубинами, на которых были установлены новые или капитально отремон­ тированные роторы.

Проведенные наблюдения позволяют отметить, что роторы Р560-Ш8 и У7-520-3 стабильно работают до глубины 3000 м. Из общего числа находившихся под наблюдением роторов у 80% потеря работоспособности была вызвана выходом из строя ос­ новной опоры.

Таким образом, в результаты проведенных обследований ро­ торов при капитальном ремонте и в условиях эксплуатации уста­ новлено, что основной причиной потери работоспособности ро­ торов является выход из строя основной опоры вследствие уста­ лостного изнашивания, отслаивания металла колец и отколов, а также из-за попадания в смазку глинистого раствора.

Вертлюги

Наибольшее применение в буровых установках, предназна­ ченных для бурения глубоких скважин, имеют вертлюги ШВ14160, ШВ15-300 и прототип вертлюга ШВ14-160 — вертлюг У6- ШВ14-160М.

3 2

По конструктивной схеме вертлюги ШВ14-160, У6-ШВ14-160М и ШВ15-300 аналогичны. Основное отличие вертлюга У6-ШВ14-160М заключается в том, что в месте установки ниж­ него масляного сальника для исключения износа ствола преду­ смотрена предохранительная втулка. Вертлюг ШВ 15-300 отли­ чается от вертлюга ШВ14-160 конструкцией основного опорного подшипника.

В процессе капитального ремонта было обследовано восемь­ десят вертлюгов: двадцать четыре вертлюга марки У6-ШВ14-160М, сорок пять вертлюгов ШВ14-160 и одиннадцать вертлюгов ШВ 15-300.

Одна из основных причин выхода нз строя вертлюгов — не­ достаточная долговечность основной опоры. В вертлюгах ШВ14-160 и У6-ШВ14-160М в качестве основной опоры приме­ няется упорный подшипник Л"° 19742 с коническими роликами, а в вертлюгах ШВ15-300 — упорный подшипник ЦКБ-813 с ци­ линдрическими роликами.

Наиболее распространенным видом разрушения подшипни­ ков № 19742 является откол буртов, составляющий 51% от об­

Отколы буртов наблюдаются на верхних и нижних кольцах подшипников (рис. 5) и достигают значительных размеров. От­ колы возникают из-за ударов роликов о бурты при значитель­ ных радиальных усилиях, вследствие колебаний бурильной ко­ лонны в процессе бурения, а также при нарушении соосности ствола относительно корпуса вертлюга. Другая причина отко­ лов— усталостные трещины, которые распространяются от кон­ центраторов напряжений. В кольцах подшипников № 19742 от­ мечается несоблюдение форм и размеров галтели между буртом и беговой дорожкой, что и создает геометрические концентрато­ ры напряжений. Последние в процессе термической обработки

способствуют образованию дополнительных внутренних концен­ траторов напряжений.

При обследованиях на верхних и нижних кольцах подшип­ ников № 19742 выявлены различные стадии развития устало­ стного изнашивания (рис. 6). Отмечены также случаи поломок колец в результате повышенных динамических нагрузок.

Расчет размерных цепей вертлюга У6-ШВ14-160М показал [42], что при сборке основной опоры происходят смещения и пе­ рекосы, которые значительно пре­ восходят допускаемую величину..

Как известно [93], даже сравни­ тельно небольшие перекосы обыч­

тельно друг друга является раз­ витие усталостного изнашивания на одной стороне беговой до­ рожки (см. рис. 6, б).

Большое значение имеют ка­ чественные характеристики ме­ талла подшипников. При иссле­ довании изношенных деталей подшипников наряду с нормаль- МОЙ микроструктурой колец, представляющей мелкоигольчагый мартенсит с карбидами хрома (баллы 1—3), были отме­

чены случаи недопустимой карбидной сетки (балл 5), что для деталей подшипников весьма опасно, так как создается повы­ шенная хрупкость, приводящая к поломкам.

Кроме того, была обнаружена недопустимая структура колец,, состоящая из крупноигольчатого мартенсита и аустенита. Нали­ чие остаточного аустенита недопустимо не только вследствие то­ го, что распадаясь или превращаясь в мартенсит, он приводит к короблению деталей и изменению размеров, но и особенно по­ тому, что зарождение первичных трещин усталости происходит в остаточном аустените. Эти трещины, действуя как концентра­ торы напряжений, способствуют более ускоренному разрушению' деталей.

Ролики подшипников № 19742 (табл. 8) изнашиваются по-- рабочей поверхности и по торцу со стороны большого диаметра с образованием «шейки» (рис. 7). Это происходит под действиемсилы, направленной от центра к периферии, и центробежной си-

34

лы, возникающей при вращении ствола вертлюга. Износ роли­ ков по длине достигает 3—6 мм. Кроме износа рабочей поверх­ ности роликов и торца, наблюдались случаи отколов, трещин и поломок роликов. Основным видом разрушения сепараторов являются поломки и образование выемок от «шеек» роликов.

Рис. 6. Усталостное изнашивание беговой дорожки колец подшипника № 19742.

а — прогрессирующее выкрашивание; б — начальные выкра­ шивания.

При капитальном ремонте было обследовано одиннадцать вертлюгов ШВ15-300. Основные опоры (подшипник ЦКБ-813) у шести из них имели окислительное изнашивание и были при­ годны для дальнейшей эксплуатации. У остальных вертлюгов

Таблица 8

П р и м е ч а н и я . ' '1. В числителе указано число поломанных роликов, в знаменате­ ле—число подшипников со сломанными роликами.

2. В связи с небольшим‘-количеством обследованных подшипников ЦКЬ*813 процент от общего числа повреждений и таблице не указан.

было отмечено усталостное изнашивание колец. В отдельных случаях наблюдалось усталостное изнашивание рабочей по­ верхности цилиндрических роликов (рис. 8).

Рис. 7. Износ торца ролика. подшипника № 19742 с образованием «шейки». Усталостное выкраши­ вание на рабочей поверхности.

Несмотря на отсутствие буртов, иа кольцах подшипника ЦКБ-813 наблюдались отколы (рнс. 9), в результате действия краевых напряжений.

Если контактные напряжения превышают предел упругости материала подшипника и создают остаточную деформацию, та

36

на дорожках качения наблюдается смятие. Характерным в этом отношении является разрушение колец основной опоры вертлю­ гов (рис. 10) при чрезмерно больших нагрузках (ликвидация прихватов).

Рис. 8. Усталостное изнашивание рабочей поверх­ ности ролика подшипника ЦКБ-813.

Рис. 9. Откол по наружному диаметру кольца подшипника ЦКБ-813.

На стволах вертлюгов в месте установки нижнего масляного сальника наблюдались кольцевые выработки различной глуби­ ны и ширины, а также окислительное изнашивание и задиры (рис. 11). Предохранительные втулки стволов вертлюгов У6-ШВ14-160М 'В большинстве случаев изнашиваются незначи­ тельно. На рис. 12 показано окислительное изнашивание втулки.

37

Совершенно иная картина наблюдается на стволах вертлюгов ШВ14-160 и ШВ15-300, в местах непосредственного сопряжения масляных сальников со стволом (по технической документации

Рис. 10. Разрушение беговой дорожки кольца под­ шипника ЦКБ-813 вследствие значительной пере­ грузки.

Рис. 11. Окислительное изнашивание и задиры на стволе вертлюга ШВ14-160 в месте установки нижнего масляного сальника.

твердость ствола вертлюга ШВ14-160 составляет НВ2П — 285, а твердость ствола вертлюга ШВ15-300 равна НВ 255 — 321). Из числа обследованных вертлюгов только соответственно у 30 и

38

27% стволов рабочая поверхность была в удовлетворительном состоянии.

Износ элементов узла напорного сальника вертлюга в основ­ ном происходит по причине наличия абразивной прослойки меж-

Рнс. 12. Окислительное изнашивание установочной гайки вертлюга У6-ШВ14-160М.

Рис. 13. Абразивное изнашивание рабочей по­ верхности напорной трубы вертлюга.

ду трущимися поверхностями. Значительный износ напорных труб наблюдается в местах сопряжения трубы с манжетами сальника. На поверхности напорных труб образуются кольцевые выработки глубиной 1,5—3 мм и более (рис. 13).

39